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Reference
Techniques de mesure in situ des flux d'échanges à l'interface eau-sédiments: avantages et inconvénients
DEVITRE, Richard Rustam
DEVITRE, Richard Rustam. Techniques de mesure in situ des flux d'échanges à l'interface eau-sédiments: avantages et inconvénients. In: Vernet, Jean-Pierre.
Hommage à F.-A. Forel:troisième Conférence internationale des limnologues d'expression française
. Morges : J.-P. Vernet, 1991. p. 122-127
Available at:
http://archive-ouverte.unige.ch/unige:152494
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EAU-SEDIMENT : AVANTAGES ET INCONVENIENTS Richard R. De Vitre*
INTRODUCTION
Afin de pouvoir contrôler l'impact des activités humaines sur la qua- lité des milieux aquatiques, il est nécessaire de comprendre en dé- tail les processus biogéochimiques qui influencent la circulation des polluants organiques et minéraux. Les sédiments jouent un rôle impor- tant sur l'état des lacs et des rivières, en tant que réservoirs ca- pables de relarguer ou au contraire de retenir des composés vitaux ou toxiques. Leur contribution physico-chimique est essentielle pour tamponner les impacts de certaines activités humaines telles que l'a- cidification des eaux (pluies acides) ou les changements d'état redox
(eutrophisation des lacs). Ce rôle exact est toutefois encore très mal connu par manque de moyens permettant de mesurer précisément les flux d'échanges des composés à l'interface sédiment-eau. Il est en particulier nécessaire de pouvoir modéliser le comportement de conta- minants organiques et minéraux dans le sédiment et à l'interface sé- diment-eau. Les relations fonctionnelles entre les flux d'échanges de composés dissous et le régime hydrodynamique (vitesse, viscosité, turbulence, etc) sont encore mal comprises. Les rôles précis joués par les processus de bioirrigation et bioturbation liés à la présence d'organismes vivants près de l'interface dans des tubes ou galeries
(diamètre - mm), qu'ils irriguent pour des fins respiratoires et nutritionnelles, sont aussi des questions en attente de réponses. Les progrès dans ce domaine sont actuellement fortement limités par l' in- suffisance de moyens analytiques adéquats, en particulier par le fait que la plupart des analyses s'effectuent en laboratoire, après prélè- vement, stockage et parfois manipulation de l'échantillon. Ces procé- dures sont longues , fastidieuses et coûteuses et ne permettent donc pas l'enregistrement en continu des nombreux paramètres nécessaires pour modéliser chimiquement l'ensemble du milieu aquatique et en dé- duire le comportement de polluants particuliers. D'autre part, il est bien connu que, dans de nombreux cas, les échantillons ainsi traités sont trop modifiés pour que les résultats obtenus puissent être re- présentatifs du milieu étudié.
PROBLEMATIQUE DES MESURES DE FLUX DE COMPOSES A L'INTERFACE EAU-SEDIMENT
La nature des processus qui règlent les flux de composés chimiques à l'interface eau-sédiment est actuellement mal connue. Dans certains cas (certains éléments nutritifs, isotopes radioactifs, métaux toxi- ques), on pense (1,2) que l'étape limitante de vitesse est le trans- port par diffusion à travers la couche de diffusion située dans la colonne d'eau, immédiatement à la surface du sédiment, mais seules des estimations de l'épaisseur de cette couche sont connues (75 - 3000µm; 3,4). Dans d'autres cas (Fe(ll), Mn(ll), S(-11), P04; 5,6),
Département de Chimie minérale, analytique et appliquée, Université de Genève, 30 Quai E.-Ansermet, CH-1211 Genève 4
les flux peuvent être limités par des réactions d'adsorption ou de précipitation dans le sédiment, dans une couche située immédiatement sous l'interface (quelques mm). Dans tous les cas, le rôle exact de ces processus est mal connu en raison de l'absence de méthodes adé- quates pour les mesurer avec une sélectivité chimique et une résolu- tion spatiale suffisante c~ 50 µm).
Une approche fréquemment utilisée pour estimer les flux d'échanges de composés dissous à l'interface eau-sédiment consiste à mesurer le gradient de concentration acx/az d'une espèce X en fonction de la profondeur, z, et ensuite d'estimer 2 -1 à l'aide de la loi de Fick, le flux résultant, J, en µg.cm .sec
J
=
-tf>.D .aCxlaz c + J e ( 1 )Où t/> est un coefficient tenant comP.te de la porosité du sédiment, De
le coefficient de diffusion (cm2.s-1) composite incluant: la diffu- sion moléculaire, la biodiffusion (irrigation benthique, etc), l'é- bullition des gaz, les effects dus à la tortuosité et la diffusion de toutes les formes de l'ion X (ions appariés, etc); et finalement Je- un terme correctif pour le couplage électrique du flux de X avec le flux des ions majeurs. En pratique, on utilise en général une expres- sion simplifiée car t/> > 0.96 à l'interface et peut être en consé- quence négligé; compte tenu que De n'est pas généralement connu, il est substitué par la valeur du coefficient de diffusion moléculaire Dm corrigé pour la température, à l'interface eau-sédiment. Cette approche entraîne donc une assez grande incertitude qui est amplifiée par les problèmes inhérents aux méthodes couramment utilisées pour mesurer les gradients de concentration aCx/az :
i) le prélèvement d'une carotte de sédiment et son découpage en tranches, suivi de la récupération de l'eau interstitielle de chaque tranche par pressurisation (7), centrifugation ou filtra- tion (8) ou
ii) la pose in situ, pendant 1 à 3 semaines, de compartiments à dia- lyse situés verticalement les uns sous les autres. Les composés dissous diffusent dans ces compartiments et sont analysés en sur- face après récupération (9,10,11).
Ces deux approches posent d'importants problèmes, les principaux étant:
- une trop faible résolution spatiale (5-10 mm; 11)
- des perturbations parfois drastiques de l'échantillon lors de sa remontée en surface (10,12).
- dans le cas ii), la fragilité de la membrane et un effet de moyen nage en raison de la longue durée d'équilibration nécessaire (10).
Toutefois, l'approche des gradients n'est pas possible ou ne peut pas être appliquée à toutes les classes de contaminants ( en effet cer- tains composés organiques ne peuvent pas être mesurés dans des échan- tillons de faible volume). De plus, lors d'études d'un grand nombre de sites, les quantités de données, qu'il faut obtenir à chaque site pour estimer le flux deviennent rapidement trop importantes. Pour ces
raisons, des chambres benthiques (13,14,15) ont été développées afin d'intégrer tous les processus de transport responsables du flux d'un contaminant vers ou à partir d'un depuis le s éd i ment sur une surface relativement grande (environ 1-2. m2). Les principa l es limitat ions de cette technique sont les suivantes: .la chambre est un système fermé
(contrairement à la situation naturelle), les valeurs de pH et de concentration en 02 - et en consequence l' activité biologique - ain- si que l'épaisseur de la couche de diffusion à la surface du sédi- ment, peuvent être considérablement modifiées par rapport à la situa- tion naturelle (13,16) . Afin de pallier à certains de ces inconvé- nients, la plupart des chambres benthiques sont equipées d'un système d'agitation magnétique ou mécanique. Toutefois ceci ne permet pas de reproduire la turbulence naturelle existant à l'extérieur de la cham- bre. En conséquence, les chambres benthiques ne donnent qu'une esti- mation semi-quantitative du flux réel sauf si elles sont utilisées dans un milieu anoxique ou très peu turbulent.
PERSPECTIVES
L'ensemble de la discussion ci-dessus suggère qu'une détermination correcte des flux à l'interface sédiment-eau nécessite de mesurer les gradients de concentration in situ, sans prélèvement du sédiment. Il existe dans la littérature actuelle, quelques références qui suggè- rent que des mesures électrochimiques directes, en fonction de la profondeur, sont possibles pour 1'02 (17-21), le pH (19,22), le ni- trate (23) et la conductibilité électrique (19,22). Ces mesures s'ef- fectuent à l'aide de microélectrodes pointues, de dimensions très réduites (1-50 µm), opérant sur des principes potentiométriques ou voltamétriques. Des études in situ, effectuées a l'aide d'un microma- nipulateur submersible équipé de microélectrodes de type Clark (24) afin de mesurer 1'02, ont montré que:
i) Il est nécessaire d'effectuer les mesures in situ et que des résultats erronés sont obtenus si l'on prélève des carottes de sédiment et si l'on détermine les gradients au laboratoire ou même sur un bateau (19).
ii) L'épaisseur de la couche de diffusion est généralement inférieu- re à lmm. Il est donc nécessaire d'utiliser un appareil ayant une résolution spatiale de l'ordre de 25-50 µm (21).
iii) La distribution spatiale de la couche de diffusion suit les con- tours du sédiment, mais dans certains cas, la concentration en oxygène subit des variations stochastiques liées à des effets de turbulence locale et d'oscillations harmoniques induite par les vagues en surface (21).
Ces études ont aussi demontré l'importance de la topographie du sédi- ment lors de calculs de flux. Il est donc nécessaire de calculer un flux tridimensionnel au lieu d'estimer le flux à partir d'un micro- profil vertical à l'aide de l'équation (1).
En conclusion, il paraît essentiel d'accroître le nombre d'espèces chimiques mesurables à l'aide de microsenseurs. Par exemple, par l'utilisation de microélectrodes voltamétriques permettant de mesu- rer des métaux traces tels que Cu(ll), Pb(ll), Cd(ll) et Zn(II), ou encore d'espèces jouant un rôle dans les équilibres redox (Fe(ll), Mn(ll) et S(-11)). Ce développement devrait nous permettre dans le proche avenir, de mieux comprendre la physico-chimie de l'interface eau-sédiment. De plus, le calcul des flux de matières, pourra, pour la première fois, prendre en compte non seulement les données chimi- ques mais aussi les facteurs physiques , topographiques et biologiques déterminés simultanément in situ, dans un milieu non perturbé.
REFERENCES
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